DE19953072A1 - Geothermal heat utilization apparatus has throttle for making working medium vaporizable - Google Patents
Geothermal heat utilization apparatus has throttle for making working medium vaporizableInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1.The invention is based on a device according to the Oberbe handle of claim 1.
Ein aus dem Erdinneren strömender Wärmefluß ist zu ca. 80% auf den Zerfall radioaktiver Isotope in Gesteinen und zu ca. 20% auf die Ursprungswärme bei der Erdentstehung zurückzufüh ren. Die Temperatur von der Erdoberfläche zum Erdinneren nimmt je 1000 m um ca. 30°C zu. Im Bereich von geothermischen Anomalien können größere Temperaturzunahmen auftreten, bei spielsweise infolge einer geographischen Nähe zu heißen Mag makammern in der Erdkruste (Intrusionen), Strömungen von Tie fengewässern usw. Derartige Gebiete werden insbesondere zur Nutzung der Erdwärme bevorzugt.A heat flow flowing from the interior of the earth is approx. 80% on the decay of radioactive isotopes in rocks and at approx. 20% attributable to the heat of origin in the formation of the earth ren. The temperature from the earth's surface to the interior of the earth increases by approx. 30 ° C per 1000 m. In the area of geothermal Abnormalities can occur with larger temperature increases for example due to its geographical proximity to Mag macaques in the earth's crust (intrusions), currents from Tie lake waters etc. Such areas are used in particular for Use of geothermal energy preferred.
Die Erdwärme kann in verschiedenen Stoffen gespeichert sein, und zwar grundsätzlich in Wasserdampf, in Wasser und/oder in heißen Gesteinsschichten. The geothermal energy can be stored in different substances, in principle in water vapor, in water and / or in are called layers of rock.
Gespeicherter Wasserdampf befindet sich meist in der Nähe von tätigen Vulkanen und stark zerklüfteten bzw. wasserführenden Grundgesteinen. Der Dampf kann zur Erdoberfläche geleitet und - nach einer oft notwendigen Separation von mitgerissenem Wasser - zur Stromerzeugung genutzt werden. Nutzbare Dampf quellen sind jedoch nur in wenigen Gebieten vorhanden.Stored water vapor is usually in the vicinity of active volcanoes and very rugged or water-bearing Bedrock. The steam can be directed to the surface of the earth and - after an often necessary separation of entrained Water - used to generate electricity. Usable steam However, sources are only available in a few areas.
Die in Erdschichten im heißen Wasser gespeicherte Energie wird in der Regel mit einer als Dublette bezeichneten Vor richtung erschlossen. Die Dublette besitzt eine Förderboh rung, über die das heiße Wasser aus den entsprechenden Erd schichten an die Erdoberfläche gefördert werden kann. Um zu vermeiden, daß der hydrostatische Druck in den Erdschichten mit der Zeit absinkt, der Zustrom des heißen Wassers zurück geht und um insbesondere die Wärme des Gesteins besser nutzen zu können, wird über eine Injektionsbohrung das abgekühlte Wasser in die entsprechenden Erdschichten zurückgeführt. Das Wasser kann von der Injektionsbohrung durch das Gestein zur Förderbohrung fließen und wird dabei erwärmt. Das aus den Erdschichten geförderte Wasser wird in der Regel zur Raumhei zung genutzt.The energy stored in layers of earth in hot water is usually preceded by a duplicate direction opened up. The duplicate has a conveyor boho tion through which the hot water from the appropriate earth layers to the surface of the earth can be promoted. In order to avoid the hydrostatic pressure in the layers of earth decreases over time, the influx of hot water returns and especially to make better use of the warmth of the rock to be able to cool the cooled via an injection hole Water returned to the corresponding layers of the earth. The Water can flow through the rock from the injection hole Production bore flow and is heated in the process. That from the Water that is extracted from the earth generally becomes a space heater used.
Zur Erschließung der in heißen Gesteinsschichten gespeicher ten Energie ist ein sogenanntes Hot-Dry-Rock-Verfahren be kannt. Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Verfahrens schritt eine erste Tiefenbohrung von ca. 5000 m gebohrt. Über die Tiefenbohrung wird Wasser mit hohem Druck in ca. 5000 m Tiefe in das Gestein gepreßt, so daß sich Risse im Gestein bilden. Mit einer zweiten Tiefenbohrung wird in einem Abstand von ca. 500 m der Bereich angebohrt, in dem sich die Risse ausgebildet haben. Anschließend kann Wasser über eine Tiefen bohrung in das Gestein gepumpt, durch die Risse zur zweiten Tiefenbohrung geleitet und über die zweite Tiefenbohrung er wärmt zur Erdoberfläche gefördert werden. Um kostenintensive Fehlbohrungen zu vermeiden, sollten die Risse im Gestein ge ortet werden. Dies ist in der Tiefe von 5000 m besonders schwierig und aufwendig.To unlock the stored in hot rock strata ten energy is a so-called hot-dry-rock process knows. In this procedure, a first procedure a first deep hole of approx. 5000 m was drilled. about the deep well becomes water with high pressure in approx. 5000 m Pressed deep into the rock so that there are cracks in the rock form. With a second deep hole is at a distance from about 500 m the area where the cracks are drilled have trained. Then water can flow over a depth hole pumped into the rock, through the cracks to the second Deep hole and through the second deep hole warms to the earth's surface. To costly To avoid incorrect drilling, the cracks in the rock should be ge be located. This is special at a depth of 5000 m difficult and expensive.
Ferner ist eine gattungsbildende Vorrichtung mit drei konzen trisch angeordneten Rohren bekannt, und zwar mit einem soge nannten äußeren Fallrohr, einem Hüllrohr und einem inneren Steigrohr. Kaltes Wasser wird durch das Fallrohr nach unten ins Erdinnere gepumpt, erwärmt und durch das Steigrohr er wärmt nach oben gefördert. Ein Ringspalt mit Luft zwischen dem Steigrohr und dem Hüllrohr dient als Isolierung zwischen dem äußeren Fallrohr und dem inneren Steigrohr. Die Rohre sind nach außen zum Erdreich von einer wasserundurchlässigen Suspension umgeben, beispielsweise von Betonit. Ein Stoffaus tausch mit dem Erdreich wird vermieden. Der Wirkungsgrad zur Erzeugung von elektrischer Energie ist jedoch gering.Furthermore, a generic device with three concents trisch arranged pipes known, with a so-called called outer downspout, a cladding tube and an inner Riser pipe. Cold water flows down through the downpipe pumped into the interior of the earth, warmed and through the riser warms up promoted. An annular gap with air between the riser and the cladding serve as insulation between the outer downpipe and the inner riser. The pipes are impermeable to the earth from a waterproof Surround suspension, for example, of concrete. A fabric exchange with the ground is avoided. The efficiency for However, generation of electrical energy is low.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung weiterzuentwickeln und insbesondere den Wirkungs grad zur Erzeugung elektrischer Energie zu erhöhen und die Kosten zu reduzieren. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen er geben sich aus den Unteransprüchen. The invention has for its object the generic Develop device and especially the effect degree to generate electrical energy and the Reduce costs. It is according to the invention by the Features of claim 1 solved. Further refinements he give themselves from the subclaims.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Nutzung von Erdwärme mit zumindest einem ersten Kanal, durch den ein Ar beitsstoff nach unten ins Erdinnere und mit zumindest einem zweiten Kanal, durch den der Arbeitsstoff nach oben, in Rich tung Erdoberfläche geleitet wird, wobei der erste und der zweite Kanal ein zum Erdreich geschlossenes System bilden.The invention relates to a device for using Geothermal energy with at least one first channel through which an ar Beitsstoff down into the earth and with at least one second channel through which the working substance goes up, in Rich tion earth surface, the first and the second channel form a system closed to the ground.
Es wird vorgeschlagen, daß der Arbeitsstoff über zumindest einen Drosselbereich nach unten ins Erdinnere geleitet ist und der Drosselbereich den in Strömungsrichtung vor dem Dros selbereich weitgehend flüssigen Arbeitsstoff auf einen Ver dampfungsdruck drosselt, so daß der Arbeitsstoff nach dem Drosselbereich weitgehend vollständig verdampfbar ist. Der Arbeitsstoff kann vorteilhaft im flüssigen Zustand nach unten und im gasförmigen Zustand, mit geringer Dichte nach oben ge führt werden. Der sich aufbauende Flüssigkeitsdruck bzw. die auf die Flüssigkeit wirkende Schwerkraft kann für eine erfor derliche Druckerhöhung in einem rechtsläufigen Kreisprozeß genutzt werden, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad, insbesondere bei der Erzeugung elektrischer Energie erreich bar ist. Grundsätzlich kann jedoch zur Erzeugung eines erfor derlichen Drucks vor dem Drosselbereich auch eine Pumpe ver wendet werden, die unterstützend zur Flüssigkeitssäule wirkt oder allein den erforderlichen Druck erzeugt.It is suggested that the working substance at least a throttle area is directed down into the interior of the earth and the throttle area in the flow direction in front of the Dros selbereich largely liquid working fluid on a Ver steam pressure throttles, so that the working fluid after Throttle area is largely completely evaporable. The Working fluid can advantageously be down in the liquid state and in the gaseous state, with low density upwards leads. The fluid pressure building up or gravity acting on the liquid can be pressure increase in a clockwise cycle be used, which means a particularly high efficiency, especially in the generation of electrical energy is cash. Basically, however, can be used to generate a pressure upstream of the throttle area also a pump be used that supports the liquid column or generates the required pressure alone.
Wird der Arbeitsstoff nach dem Drosselbereich weitgehend, vorteilhaft vollständig verdampft, so strömt dieser nach oben zur Erdoberfläche. Während des Betriebs der Vorrichtung kann das Einbringen einer Fremdleistung, insbesondere einer Pum penleistung, vermieden und damit der Wirkungsgrad gesteigert werden. Im zweiten Kanal stellt sich in der Gassäule von un ten nach oben ein geringer Druckabfall ein. An der Erdober fläche besitzt der dampfförmige Arbeitsstoff einen weit höhe ren Druck als in einem Ausgangszustand des Prozesses, der be sonders vorteilhaft zur Erzeugung elektrischer Energie ge nutzt werden kann. Der Drosselbereich kann von einer oder vorteilhaft von mehreren Drosselstellen gebildet sein, die in Strömungsrichtung mit jeweils einem Abstand zueinander ange ordnet sind. Mit mehreren Drosselstellen kann ein besonders hoher Druck im oberen Bereich des zweiten Kanals erreicht werden.If the working substance is largely after the throttle area, advantageously completely evaporated, it flows upwards to the earth's surface. During operation of the device the introduction of an external service, in particular a pump performance, avoided and thus increased efficiency become. In the second channel in the gas column of un a slight pressure drop upwards. On the ground the surface of the vaporous working material is far higher pressure than in an initial state of the process, the be particularly advantageous for generating electrical energy can be used. The throttle range can be one or advantageously be formed by several throttling points, which in Flow direction with a distance from each other are arranged. With several throttling points one can be special high pressure in the upper area of the second channel reached become.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorge schlagen, daß in Strömungsrichtung nach dem zweiten Kanal ein Verdichter angeordnet ist, über den der Arbeitsstoff vor dem Drosselbereich komprimierbar ist. Der Drosselbereich kann be sonders vorteilhaft im oberen Bereich des ersten Kanals ange ordnet werden und es kann vorteilhaft über den gesamten ers ten Kanal eine große Temperaturdifferenz zwischen dem Ar beitsstoff und dem Erdinneren und dadurch ein guter Wärme übergang vom Erdinneren auf den Arbeitsstoff erreicht werden. Die vom Erdinneren zugeführte Energie kann vorteilhaft bei weitgehend konstanter Verdampfungstemperatur des Arbeitsstof fes zur Verdampfung genutzt werden. Im zweiten Kanal besitzt der Arbeitsstoff weitgehend die gleiche Temperatur wie im ers ten Kanal, wodurch eine Isolierung zwischen den Kanälen ein gespart werden kann. Zur Gewinnung einer großen Wärmemenge kann bereits eine geringe Bohrtiefe ausreichen. In a further embodiment of the invention is pre beat that in the direction of flow after the second channel Compressor is arranged over which the working fluid before Throttle range is compressible. The throttle range can be particularly advantageous in the upper region of the first channel can be arranged and it can be advantageous over the entire first th channel a large temperature difference between the Ar beitsstoff and the interior of the earth and therefore a good warmth transition from inside the earth to the working material. The energy supplied from the interior of the earth can be advantageous largely constant evaporation temperature of the working fluid fes can be used for evaporation. Owns in the second channel the working substance largely the same temperature as in the first th channel, creating isolation between the channels can be saved. To obtain a large amount of heat a small drilling depth can be sufficient.
Der Drosselbereich kann grundsätzlich von einer oder mehre ren, dem Fachmann als geeignet erscheinenden Drosselstellen gebildet sein. Besonders vorteilhaft wird jedoch zumindest eine Drosselstelle von wenigstens einem Rohr gebildet. Es kann bei einer ausreichenden Drosselwirkung eine relativ ge ringe Strömungsgeschwindigkeit durch die Drosselstelle und damit ein geringer Verschleiß und eine hohe Lebensdauer er reicht werden.The throttle range can basically be one or more ren, throttling points which appear to be suitable to the person skilled in the art be educated. However, at least it is particularly advantageous a throttle point formed by at least one tube. It can with a sufficient throttling effect a relatively ge rings flow velocity through the throttle point and thus low wear and a long service life be enough.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der erste und der zweite Kanal zu einem geschlossenen System verbunden, d. h. nicht nur unterhalb der Erdoberfläche, son dern auch oberhalb der Erdoberfläche geschlossen verbunden sind. Ein Austritt des Arbeitsstoffs aus dem System kann ver mieden und es kann vorteilhaft ein Arbeitsstoff verwendet werden, mit dem bei möglichst geringen Kosten ein besonders hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.In one embodiment of the invention it is proposed that the first and the second channel to a closed system connected, d. H. not just below the surface of the earth, son connected above the surface of the earth are. An escape of the working fluid from the system can ver avoid and it can be advantageous to use a working material be a special with the lowest possible costs high efficiency is achievable.
Besitzt der Arbeitsstoff eine niedrigere Siedetemperatur als Wasser, kann im Vergleich zu wasserbetriebenen Vorrichtungen der Arbeitsstoff bereits bei geringeren Tiefen bzw. geringe ren Temperaturen zum Verdampfen gebracht werden, wodurch ins besondere Bohrkosten eingespart werden können. Als Arbeits stoff eignen sich vorteilhaft gebräuchliche Kältemittel, wie insbesondere Ammoniak.If the working fluid has a lower boiling temperature than Water can be compared to water powered devices the working material already at shallow depths or shallow ren temperatures to be evaporated, thereby ins special drilling costs can be saved. As working are commonly used refrigerants such as especially ammonia.
Um im ersten Kanal die Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren und die Oberfläche zu vergrößern und dadurch den Wärmeüber gang auf den Arbeitsstoff zu verbessern, ist vorteilhaft im ersten Kanal zumindest nach dem Drosselbereich wenigstens ein den Arbeitsstoff umlenkendes Element eingebracht. In den ers ten Kanal können vorteilhaft Füllkörper eingebracht werden, die den Arbeitsstoff umlenken. In einer weiteren Ausgestal tung wird vorgeschlagen, daß anstatt Füllkörper zumindest ei ne spiralförmig nach unten verlaufende Bahn eingebracht ist, über die der Arbeitsstoff an die Außenwand des ersten Kanals geleitet ist, wodurch eine vorteilhafte Filmverdampfung an der Außenwand des ersten Kanals erreicht werden kann. Die Bahn kann aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, beispielsweise kann die Bahn von einem Blechteil gebildet oder kann auch einstückig mit einer Kanalwand ausgebildet sein. Die Bahn besitzt vorzugsweise keine abdichtende Funkti on im Kanal.To reduce the flow velocity in the first channel and increase the surface area and thereby the heat transfer Improving gear on the working material is advantageous in first channel at least one after the throttle area introduced the working element deflecting element. In the first filling channel can advantageously be introduced, that redirect the working material. In another configuration tion is proposed that instead of packing at least egg ne spiral path is inserted, over which the working material to the outer wall of the first channel is directed, which leads to advantageous film evaporation the outer wall of the first channel can be reached. The Web can be made of different materials, for example, the path can be formed by a sheet metal part or can also be formed in one piece with a channel wall his. The web preferably has no sealing functions on in the channel.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und der zweite Kanal in einer stoffdicht ausgekleideten Tiefenbohrung angeordnet und der Arbeitsstoff wird im radial äußeren Be reich innerhalb der Tiefenbohrung nach unten und im radial inneren Bereich der Tiefenbohrung durch ein Innenrohr nach oben geleitet. Zusätzliche Tiefenbohrungen und damit verbun dene Kosten können eingespart werden. Ferner können die Kanä le besonders einfach und kostengünstig unter der Erdoberflä che geschlossen miteinander verbunden werden. Grundsätzlich kann der Arbeitsstoff jedoch auch über eine oder mehrere Tie fenbohrungen nach unten und über eine oder mehrere, davon ge trennte Tiefenbohrungen nach oben geleitet werden.In one embodiment of the invention, the first and the second channel in a material-tight lined deep hole arranged and the working material is in the radially outer Be rich within the deep hole downwards and in the radial inner area of the deep hole through an inner tube headed above. Additional deep holes and thus connected their costs can be saved. Furthermore, the Kanä le particularly simple and inexpensive under the surface of the earth che be connected together. Basically However, the working material can also be tied over one or more tie bores down and over one or more, of which ge separate deep holes are directed upwards.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammen fassen.Further advantages result from the following drawing spelling. In the drawing, an embodiment of the Invention shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently use the features individually consider and put together into meaningful further combinations grasp.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 1 is a schematic representation of an inventive device and
Fig. 2 Verfahrensabläufe in einem Druck-Enthalpie- Diagramm und Fig. 2 procedures in a pressure enthalpy diagram and
Fig. 3 eine Variante zu Fig. 1. Fig. 3 shows a variant of Fig. 1,.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung von Erdwärme mit einem ersten Kanal 10, durch den ein Ar beitsstoff 12 nach unten ins Erdinnere und mit einem zweiten Kanal 14, durch den der Arbeitsstoff 12 nach oben, in Rich tung Erdoberfläche geleitet wird. Der erste Kanal 10 wird von einem ersten Außenrohr 52 gebildet, das in eine Tiefenbohrung 36 eingefügt ist und die Tiefenbohrung 36 nach außen stoff dicht auskleidet. Das Außenrohr 52 ist am unteren Ende, an seiner Stirnseite dicht verschlossen. Der zweite Kanal 14 wird von einem im radial inneren Bereich der Tiefenbohrung 36, konzentrisch zum Außenrohr 52 angeordneten Innenrohr 46 gebildet. Das Innenrohr 46 ist von einem Hüllrohr 56 umgeben, das zur Isolierung einen Ringspalt 58 mit Luft zum Innenrohr 46 einschließt und den ersten Kanal 10 radial nach innen be grenzt. Der erste und der zweite Kanal 10, 14 sind gemeinsam mit einer Anlage 60 zu einem geschlossenen System verbunden, so daß der als Arbeitsstoff 12 verwendete Ammoniak nicht nach außen treten kann. Fig. 1 shows an inventive device for the use of geothermal energy with a first channel 10 through which a Ar beitsstoff 12 down into the interior of the earth and with a second channel 14 through which the working material 12 is directed upwards in the direction of the earth's surface. The first channel 10 is formed by a first outer tube 52 , which is inserted into a deep hole 36 and the deep hole 36 is lined with fabric to the outside. The outer tube 52 is sealed at the lower end, on its end face. The second channel 14 is formed by an inner tube 46 arranged concentrically to the outer tube 52 in the radially inner region of the deep bore 36 . The inner tube 46 is surrounded by a cladding tube 56 which encloses an annular gap 58 with air to the inner tube 46 for insulation and delimits the first channel 10 radially inward. The first and the second channel 10 , 14 are connected together with a system 60 to form a closed system so that the ammonia used as the working substance 12 cannot escape to the outside.
Erfindungsgemäß besitzt der erste Kanal 10 einen Drosselbe reich 16 mit drei in Strömungsrichtung hintereinander ge schalteten Drosselstellen 22, 24, 26. Die Drosselstellen 22, 24, 26 sind jeweils mit einem Abstand zueinander angeordnet und werden jeweils von einem in einem Flansch 40 befestigten Rohr 28, 30, 32 gebildet.According to the invention, the first channel 10 has a throttling area 16 with three throttling points 22 , 24 , 26 connected in series in the flow direction. The throttle points 22 , 24 , 26 are each arranged at a distance from one another and are each formed by a tube 28 , 30 , 32 fastened in a flange 40 .
Beim Aufbau der Vorrichtung werden das Außenrohr 52, das Hüllrohr 56 und das Innenrohr 46 beim Bohren der Tiefenboh rung 36 in Teilstücken bereits konzentrisch mit eingeführt. Die Teilstücke werden an den axialen Stoßstellen durch Schweißen dicht miteinander verbunden. Grundsätzlich können die Teilstücke jedoch auch durch verschiedene, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Verfahren stoffschlüssig, form schlüssig und/oder kraftschlüssig dicht verbunden werden.When building the device, the outer tube 52 , the cladding tube 56 and the inner tube 46 are already introduced concentrically with the drilling of the deep drilling 36 in sections. The sections are sealed together at the axial joints by welding. In principle, however, the sections can also be connected in a cohesive, form-fitting and / or non-positive manner by means of various methods which appear to be useful to the person skilled in the art.
Der Flansch 40 kann mit verschiedenen, dem Fachmann als ge eignet erscheinenden Verfahren zwischen dem Außenrohr 52 und dem Hüllrohr 56 befestigt werden. Besonders vorteilhaft wird dieser jedoch bereits vor dem Einführen der Rohre 46, 52, 56 in die Tiefenbohrung 36 am Außenrohr 52 und am Hüllrohr 56 festgeschweißt. Um zu vermeiden, daß der erste Kanal 10 beim Bohren verschmutzt bzw. um zu vermeiden, daß Bohrschlamm und/oder eine Suspension in den ersten Kanal 10 läuft, ist der erste Kanal 10 im untersten Teilstück bereits vor dem Einführen in die Tiefenbohrung 36 an der axialen Stirnseite mit einer Stahlplatte 54 verschlossen. Ein Bohrkopf einer nicht näher dargestellten Bohrvorrichtung kann im zusammenge klappten Zustand durch das Innenrohr 46 nach oben und nach unten geführt werden. Der zweite Kanal 14 kann nach Abschluß des Bohrvorgangs gereinigt werden. Nach Fertigstellung der Tiefenbohrung 36 wird das Innenrohr 46 an seiner nach unten weisenden axialen Stirnseite mit einer Kunststoffplatte 42 zum Erdreich dicht verschlossen. Daneben kann die axiale Stirnseite des Innenrohrs 46 mit sämtlichen, dem Fachmann als geeignet erscheinenden Verfahren zum Erdreich dicht ver schlossen werden, beispielsweise durch Ausgießen und/oder durch Einpressen eines Teflonkörpers, wodurch ein kraft- und formschlüssiger Verschluß geschaffen werden könnte usw. Fer ner ist möglich, das Hüllrohr 56 und/oder das Innenrohr 46 erst nachträglich in ein Außenrohr einzuführen, das an seiner nach unten weisenden Stirnseite dicht verschlossen ist.The flange 40 can be fastened between the outer tube 52 and the cladding tube 56 using various methods which appear suitable to the person skilled in the art. However, this is particularly advantageously welded to the outer tube 52 and the cladding tube 56 before the tubes 46 , 52 , 56 are inserted into the deep bore 36 . In order to avoid that the first channel 10 becomes soiled during drilling or to prevent drilling mud and / or a suspension from running into the first channel 10 , the first channel 10 is already in the lowest section before it is inserted into the deep bore 36 axial end face closed with a steel plate 54 . A drill head of a drilling device, not shown, can be guided up and down through the inner tube 46 in the folded state. The second channel 14 can be cleaned after completion of the drilling process. After completion of the deep bore 36 , the inner tube 46 is sealed on its axial end face pointing downward with a plastic plate 42 to the ground. In addition, the axial end face of the inner tube 46 can be tightly sealed with all methods which appear suitable to the person skilled in the art, for example by pouring out and / or by pressing in a Teflon body, as a result of which a non-positive and positive closure could be created, etc. Fer ner possible to insert the cladding tube 56 and / or the inner tube 46 only subsequently into an outer tube which is tightly closed on its downward-facing end face.
Vor dem Einbringen des Innenrohrs 46 und des Hüllrohrs 56, werden in deren untersten Teilstücke Öffnungen 136, 138 bzw. Bohrungen eingebracht. Die Öffnungen 138 im Innenrohr 46 wer den anschließend vor dem Einführen wieder kraft- und form schlüssig oder in geeigneter Weise verschlossen, so daß sie einerseits eine Verunreinigung der Hohlräume zwischen den Rohren 46, 52, 56 sicher verhindern und andererseits durch den beim Befüllen mit Ammoniak entstehenden Druckunterschied zwischen dem ersten Kanal 10 und dem zweiten Kanal 14 wieder frei werden. Die Öffnungen 136, 138 oder nur die Öffnungen 138 können jedoch auch nachträglich, nach dem Einführen der Rohre 46, 52, 56 eingebracht werden oder können mit Stoffen verschlossen werden, die sich in Ammoniak chemisch auflösen, jedoch gegen die bei der Herstellung der Bohrung verwendeten Substanzen beständig sind.Before the inner tube 46 and the cladding tube 56 are introduced , openings 136 , 138 or bores are made in their lowermost sections. The openings 138 in the inner tube 46 who then closed forcefully and positively or in a suitable manner before insertion, so that on the one hand they reliably prevent contamination of the cavities between the tubes 46 , 52 , 56 and on the other hand due to the filling with ammonia resulting pressure difference between the first channel 10 and the second channel 14 are free again. The openings 136 , 138 or only the openings 138 can, however, also be introduced subsequently, after the introduction of the tubes 46 , 52 , 56 or can be closed with substances that chemically dissolve in ammonia, but against those used in the production of the bore Substances are resistant.
Zu Beginn der Inbetriebnahme sind sämtliche Ventile 72, 74, 76 und 84 bis 128, 140 geöffnet. Um den ersten Kanal 10 mög lichst schnell vollständig mit flüssigem Ammoniak zu füllen, wird flüssiges Ammoniak mit ca. 25 bar über eine Leitung 64 und über den zweiten Kanal 14 in die Vorrichtung geleitet. Ist im ersten Kanal 10 nur eine Drosselstelle angeordnet, kann die Vorrichtung auch über den ersten Kanal 10 befüllt werden. Die Vorrichtung wird über Leitungen 68, 70 entlüftet, die in einem nicht näher dargestellten Wasserbad münden. Steigen im Wasserbad keine Luftblasen mehr nach oben, können die Ventile 72, 74 in den Leitungen 68, 70 geschlossen wer den. Wird ein bestimmter Füllstand mit einem Füllstandsmesser 78 in einem Kondensatspeicher 66 erfaßt, wird das Ventil 76 in der Leitung 64 geschlossen. Ferner werden die Ventile 94, 96 und 98 geschlossen.At the start of commissioning, all valves 72 , 74 , 76 and 84 to 128 , 140 are open. In order to fill the first channel 10 as quickly as possible with liquid ammonia, liquid ammonia is passed at about 25 bar via a line 64 and via the second channel 14 into the device. If only one throttle point is arranged in the first channel 10 , the device can also be filled via the first channel 10 . The device is vented via lines 68 , 70 , which open into a water bath, not shown. If there are no more air bubbles in the water bath, the valves 72 , 74 in the lines 68 , 70 can be closed. If a certain fill level is detected with a fill level meter 78 in a condensate store 66 , the valve 76 in the line 64 is closed. Valves 94 , 96 and 98 are also closed.
Anschließend wird über eine Strahlpumpe 50, die von einer Treibstrahlpumpe 80 mit Ammoniak aus dem Kondensatspeicher 66 beschickt wird, der Druck p im zweiten Kanal 14 reduziert und dadurch das Ammoniak im zweiten Kanal 14 verdampft. Das durch die Strahlpumpe 50 geförderte Ammoniak wird in einem Wärme tauscher 130 kondensiert und in den Kondensatspeicher 66 zu rückgeführt.The pressure p in the second channel 14 is then reduced via a jet pump 50 , which is supplied with ammonia from the condensate storage 66 by a propulsion jet pump 80 , and the ammonia in the second channel 14 is thereby evaporated. The ammonia pumped by the jet pump 50 is condensed in a heat exchanger 130 and returned to the condensate storage 66 .
Wird eine Temperatur an einer Meßstelle 82 erfaßt, die andeu tet, daß das Ammoniak im zweiten Kanal 14 vollständig oder zumindest weitgehend verdampft ist, wird die Treibstrahlpumpe 80 abgeschaltet und die Ventile 84, 86 werden geschlossen. Um ausschließlich Wärme über einen Wärmetauscher 132 an einen nicht näher dargestellten Verbraucher abzuführen, wird an schließend nur das Ventil 94 geöffnet. Um elektrische Energie mit einer Turbine 134 und einem Generator 62 zu erzeugen, werden die Ventile 96 und 98 geöffnet.If a temperature is detected at a measuring point 82 , which indicates that the ammonia in the second channel 14 is completely or at least largely evaporated, the propulsion jet pump 80 is switched off and the valves 84 , 86 are closed. In order to dissipate heat exclusively via a heat exchanger 132 to a consumer (not shown in detail), only the valve 94 is then opened. In order to generate electrical energy with a turbine 134 and a generator 62 , the valves 96 and 98 are opened.
Während des Betriebs der Vorrichtung wird flüssiges Ammoniak aus dem Kondensatspeicher 66 über die Ventile 126 und 92 in den ersten Kanal 10 geleitet. In einem ersten Bereich 48 des ersten Kanals 10 ist das Ammoniak flüssig. Vom Ausgangspunkt P1 im oberen Bereich der sich einstellenden Flüssigkeitssäule im ersten Kanal 10 nimmt der Druck p infolge der Schwerkraft nach unten zu, und zwar beträgt der Druck p im Punkt P1 ca. 25 bar und im Punkt P2 bei der Tiefe von 1650 m ca. 100 bar (Fig. 2). Durch die Drosselstelle 22 bei der Tiefe von 1650 m wird der Druck p gedrosselt. Nach der Drosselstelle 22 be trägt der Druck p in P3 ca. 45 bar. Von P3 auf P4 nimmt der Druck p infolge der Schwerkraft der Flüssigkeitssäule zu und beträgt in P4 bei der Tiefe von 2850 m ca. 105 bar. Von P4 auf PS wird der Druck p durch die zweite Drosselstelle 24 bei der Tiefe von 2850 m gedrosselt. Von PS auf P6 erhöht sich der Druck p auf ca. 105 bar bei der Tiefe von 3850 m. Von P6 auf P7 wird der Druck p durch die dritte Drosselstelle 26 bei der Tiefe von 3850 m auf einen Verdampfungsdruck 18 von ca. 60 bar gedrosselt. Zwischen den Drosselstellen 22, 24, 26 wird dem Ammoniak stets Wärme aus dem Erdreich zugeführt, wo durch die Enthalpie h zwischen den Drosselstellen 22, 24, 26 zunimmt.During the operation of the device, liquid ammonia is conducted from the condensate store 66 via the valves 126 and 92 into the first channel 10 . The ammonia is liquid in a first region 48 of the first channel 10 . From the starting point P1 in the upper area of the liquid column in the first channel 10 , the pressure p increases downwards due to gravity, namely the pressure p at point P1 is approx. 25 bar and at point P2 at a depth of 1650 m approx. 100 bar ( Fig. 2). The pressure p is throttled by the throttling point 22 at a depth of 1650 m. After the throttle point 22 be the pressure p in P3 is about 45 bar. The pressure p increases from P3 to P4 due to the gravity of the liquid column and is approximately 105 bar in P4 at a depth of 2850 m. From P4 to PS, the pressure p is throttled by the second throttling point 24 at a depth of 2850 m. The pressure p increases from PS to P6 to approx. 105 bar at a depth of 3850 m. From P6 to P7, the pressure p is throttled by the third throttling point 26 at a depth of 3850 m to an evaporation pressure 18 of approximately 60 bar. Between the throttling points 22 , 24 , 26 , the ammonia is always supplied with heat from the ground, where the enthalpy h increases between the throttling points 22 , 24 , 26 .
Von P7 nach P8 nimmt die Enthalpie h bei konstantem Druck p infolge der Druckenergie, von P8 nach P9 infolge der Abküh lung des überhitzten Ammoniaks und von P9 nach P10 infolge der Wärmezuführung vom Erdreich zu. Um einen guten Wärmeüber gang vom Erdreich auf das Ammoniak zu erreichen, sind im ers ten Kanal 10 nach der untersten Drosselstelle 26 Füllkörper 34 eingebracht (Fig. 1). Das Ammoniak ist im Punkt P10 bei einer Tiefe von ca. 4600 m vollständig verdampft und kann vom ersten Kanal 10 über die Öffnungen 136, 138 im Hüllrohr 56 und im Innenrohr 46 in den zweiten Kanal 14 strömen (Fig. 1). Um zu vermeiden, daß das Ammoniakgas im Ringspalt 58, zwi schen dem Hüllrohr 56 und dem Innenrohr 46, nach oben steigt, ist der Ringspalt 58 mit einem Verschlußteil 38 oberhalb der Öffnungen 136, 138 in Richtung Erdoberfläche verschlossen. Das Verschlußteil 38 wird entsprechend dem Flansch 40 der Drosselstellen 22, 24, 26 vor dem Einführen in die Tiefenboh rung 36 befestigt. Das Ammoniakgas strömt im zweiten Kanal 14 nach oben zur Erdoberfläche. Der Druck p und die Enthalpie h nehmen von P10 nach P11 ab. Im Punkt P11 besitzt das Ammoni akgas ca. 40 bar, d. h. ca. 15 bar mehr als im Ausgangspunkt P1. Der Energieüberschuß von P11 zu P1 kann zur Wärmeabfuhr an Verbraucher genutzt werden - P11-P12-P13-P1 - oder kann zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Wärmeabfuhr ge nutzt werden - P11-P12a-P1 -. Es entsteht ein geschlossener, rechtsläufiger Kreisprozeß. Anstatt mit mehreren Drosselstel len 22, 24, 26 kann die Vorrichtung auch nur mit einer Dros selstelle betrieben werden. In Fig. 2 ist mit einer gestri chelten Linie ein Verfahrensablauf einer Vorrichtung mit nur einer Drosselstelle dargestellt. Das Ammoniak wird im Ver gleich zu mehreren Drosselstellen auf einen geringen Verdamp fungsdruck 20 gedrosselt. From P7 to P8 the enthalpy h increases at constant pressure p due to the pressure energy, from P8 to P9 due to the cooling of the superheated ammonia and from P9 to P10 due to the heat input from the ground. In order to achieve a good heat transfer from the ground to the ammonia, 26 filling bodies 34 are introduced in the first channel 10 after the lowest throttle point ( FIG. 1). The ammonia is completely evaporated at point P10 at a depth of approx. 4600 m and can flow from the first channel 10 via the openings 136 , 138 in the cladding tube 56 and in the inner tube 46 into the second channel 14 ( FIG. 1). In order to avoid that the ammonia gas rises in the annular gap 58 , between the cladding tube 56 and the inner tube 46 , the annular gap 58 is closed with a closure part 38 above the openings 136 , 138 towards the surface of the earth. The closure member 38 is fixed according to the flange 40 of the throttling points 22 , 24 , 26 tion 36 before insertion into the Tiefenboh. The ammonia gas flows in the second channel 14 upwards to the earth's surface. The pressure p and the enthalpy h decrease from P10 to P11. At point P11 the ammonia gas has approx. 40 bar, ie approx. 15 bar more than in starting point P1. The excess energy from P11 to P1 can be used for heat dissipation to consumers - P11-P12-P13-P1 - or can be used for generating electrical energy and for heat dissipation - P11-P12a-P1 -. A closed, right-handed circular process is created. Instead of having several throttle positions 22 , 24 , 26 , the device can also be operated with only one throttle position. In Fig. 2, a process flow of a device with only one throttle point is shown with a dashed line. The ammonia is throttled in comparison to several throttling points to a low evaporation pressure 20 .
Zur Leistungsregelung kann der Zulauf vom Kondensatspeicher 66 in den ersten Kanal 10 über das Ventil 126 geregelt wer den. Dabei sollte die Flüssigkeitssäule nicht unter die erste Drosselstelle 22 sinken. Um die Vorrichtung abzustellen, kann entweder die Zufuhr vom Kondensatspeicher 66 zum ersten Kanal 10 unterbrochen werden und/oder es kann aus dem Konden satspeicher 66 das flüssige Ammoniak über eine Pumpe 44 in das Innenrohr 46 gepumpt werden, wodurch die Vorrichtung be sonders schnell abgeschaltet werden kann. Ferner kann die Pumpe 44 zur Neuinbetriebnahme genutzt werden.For power control, the inflow from the condensate reservoir 66 into the first channel 10 can be regulated via the valve 126 . The liquid column should not sink below the first throttle point 22 . To turn off the device, either the supply from the condensate storage 66 to the first channel 10 can be interrupted and / or the liquid ammonia can be pumped out of the condensate storage 66 via a pump 44 into the inner tube 46 , whereby the device can be switched off particularly quickly can. In addition, the pump 44 can be used for restarting.
Fig. 3 zeigt eine Variante zu der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung. Im wesentlichen gleichbleibende Bauteile sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Vorrichtung besitzt einen ersten Kanal 10, durch den der Ar beitsstoff 12 nach unten ins Erdinnere und einen zweiten Ka nal 14, durch den der Arbeitsstoff 12 nach oben, in Richtung Erdoberfläche geleitet wird. Der erste Kanal 10 wird von ei nem Außenrohr 52 gebildet, das in eine Tiefenbohrung 36 ein gefügt ist und die Tiefenbohrung 36 nach außen stoffdicht auskleidet. Das Außenrohr 52 ist am unteren Ende, an seiner Stirnseite dicht verschlossen. Der erste Kanal 10 wird radial nach innen durch ein konzentrisch zum Außenrohr 52 angeordne tes Innenrohr 152 begrenzt, das den zweiten Kanal 14 bildet. Im ersten Kanal 10, zwischen den Rohren 52 und 152, ist eine sich nach unten spiralförmig erstreckende Bahn 35 einge bracht, die den Arbeitsstoff 12 an die Außenwand des ersten Kanals 10 bzw. an die Innenfläche des Außenrohrs 52 lenkt. Die Bahn 35 dient zudem als Abstandhalter zwischen den Rohren 52 und 152. Die Bahn 35 kann sich über die gesamte Länge des Kanals 10 erstrecken oder kann vorteilhaft in einzelnen Län genabschnitten angeordnet werden, zwischen denen sich ein Ab stand befindet. Die Bahn 35 übernimmt im ersten Kanal 10 kei ne Dichtfunktion. Der erste und der zweite Kanal 10, 14 sind gemeinsam mit einer Anlage 154 zu einem geschlossenen System verbunden, so daß der als Arbeitsstoff 12 verwendete Ammoniak nicht nach außen treten kann. FIG. 3 shows a variant of the device shown in FIG. 1. Components that remain essentially the same are fundamentally numbered with the same reference numerals. The device has a first channel 10 through which the Ar beitsstoff 12 down into the earth's interior and a second channel 14 through which the working substance 12 is directed upwards towards the surface of the earth. The first channel 10 is formed by an outer tube 52 which is inserted into a deep bore 36 and which lines the deep bore 36 in a material-tight manner to the outside. The outer tube 52 is sealed at the lower end, on its end face. The first channel 10 is delimited radially inward by an inner tube 152 which is arranged concentrically with the outer tube 52 and forms the second channel 14 . In the first channel 10 , between the tubes 52 and 152 , a downwardly spirally extending web 35 is introduced, which directs the working material 12 to the outer wall of the first channel 10 or to the inner surface of the outer tube 52 . The web 35 also serves as a spacer between the tubes 52 and 152 . The web 35 can extend over the entire length of the channel 10 or can advantageously be arranged in individual length sections, between which there was a stand. The web 35 does not perform a sealing function in the first channel 10 . The first and the second channel 10 , 14 are connected together with a system 154 to form a closed system, so that the ammonia used as the working substance 12 cannot escape to the outside.
Das im zweiten Kanal 14 nach oben strömende, dampfförmige Am moniak wird in einem dem zweiten Kanal 14 nachgeschalteten Verdichter 142 komprimiert, und zwar auf ca. 25 bar und dabei auf ca. 130°C erhitzt bzw. überhitzt. In einem dem Verdichter 142 nachgeschalteten Wärmetauscher 144 wird Heizungswasser in drei Phasen erwärmt, und zwar in einer ersten Phase durch Ab kühlen des Ammoniaks auf eine Kondensationstemperatur, in ei ner zweiten Hauptphase durch Kondensieren des Ammoniaks und in einer dritten Phase durch Abkühlung des Kondensats. Das Heizungswasser wird in einem dem Wärmetauscher 144 nachge schalteten Abgaswärmetauscher 150 durch Abgase 146 eines Mo tors 148 des Verdichters 142 weiter erhitzt.The upward flowing in the second channel 14 , vaporous Am moniak is compressed in a compressor 142 downstream of the second channel 14 , to about 25 bar and heated to about 130 ° C or overheated. In a heat exchanger 144 connected downstream of the compressor 142 , heating water is heated in three phases, namely in a first phase by cooling the ammonia down to a condensation temperature, in a second main phase by condensing the ammonia and in a third phase by cooling the condensate. The heating water is further heated in a heat exchanger 144 downstream exhaust gas heat exchanger 150 by exhaust gases 146 of a motor 148 of the compressor 142 .
Der Arbeitsstoff 12 besitzt nach dem Wärmetauscher ca. 45°C und wird nach dem Wärmetauscher 144 über einen im oberen Be reich des ersten Kanals 10 angeordneten Drosselbereich 15 bzw. über eine Drosselstelle geleitet und dabei von ca. 25 bar auf einen Verdampfungsdruck von ca. 4 bar gedrosselt. Der Drosselbereich 15 bzw. eine Drosselstelle kann auch in einer Leitung vor dem ersten Kanal 10 angeordnet sein.The working fluid 12 has about 45 ° C after the heat exchanger and is passed after the heat exchanger 144 via a throttle region 15 arranged in the upper region of the first channel 10 or via a throttle point and thereby from approx. 25 bar to an evaporation pressure of approx. Throttled 4 bar. The throttle area 15 or a throttle point can also be arranged in a line in front of the first channel 10 .
Der Arbeitsstoff 12 kühlt sich durch die Drosselung auf ca. 0°C ab. Der flüssige Arbeitsstoff 12 wird durch die Bahn 35 nach unten und durch die Fliehkraft an die Außenwand des ers ten Kanals 10 geleitet, an der eine Filmverdampfung ent steht. Der verdampfte Arbeitsstoff 12 wird durch eine sich einstellende Gesamtdurchströmung im ersten Kanal 10 nach un ten und im zweiten Kanal 14 nach oben geleitet. Im ersten und im zweiten Kanal 10, 14 besitzt der Arbeitsstoff 12 im we sentlichen gleichbleibend seine Verdampfungstemperatur von ca. 0°C. Es kann ein besonders guter Wärmeübergang vom Erdin neren auf den Arbeitsstoff 12 erreicht und zudem eine Isolie rung zwischen dem ersten Kanal 10 und dem zweiten Kanal 14 eingespart werden. The working substance 12 cools down to about 0 ° C. by throttling. The liquid working fluid 12 is guided downwards by the web 35 and by centrifugal force to the outer wall of the first channel 10 , on which film evaporation occurs. The vaporized working fluid 12 is passed through an ensuing total flow in the first channel 10 down and in the second channel 14 upwards. In the first and in the second channel 10 , 14 , the working substance 12 essentially has its evaporation temperature of approximately 0 ° C. It can achieve a particularly good heat transfer from Erdin neren to the working material 12 and also insulation between the first channel 10 and the second channel 14 can be saved.
1010th
Kanal
channel
1212th
Arbeitsstoff
Working material
1414
Kanal
channel
1515
Drosselbereich
Throttle range
1616
Drosselbereich
Throttle range
1818th
Verdampfungsdruck
Evaporation pressure
2020th
Verdampfungsdruck
Evaporation pressure
2222
Drosselstelle
Throttling point
2424th
Drosselstelle
Throttling point
2626
Drosselstelle
Throttling point
2828
Rohr
pipe
3030th
Rohr
pipe
3232
Rohr
pipe
3434
Füllkörper
Packing
3535
Bahn
train
3636
Tiefenbohrung
Deep drilling
3838
Verschlußteil
Closure part
4040
Flansch
flange
4242
Kunststoffplatte
Plastic plate
4444
Pumpe
pump
4646
Innenrohr
Inner tube
4848
Bereich
Area
5050
Pumpe
pump
5252
Außenrohr
Outer tube
5454
Stahlplatte
steel plate
5656
Hüllrohr
Cladding tube
5858
Ringspalt
Annular gap
6060
Anlage
investment
6262
Generator
generator
6464
Leitung
management
6666
Kondensatspeicher
Condensate storage
6868
Leitung
management
7070
Leitung
management
7272
Ventil
Valve
7474
Ventil
Valve
7676
Ventil
Valve
7878
Füllstandsmesser
Level meter
8080
Treibstrahlpumpe
Jet pump
8282
Meßstelle
Measuring point
8484
Ventil
Valve
8686
Ventil
Valve
8888
Ventil
Valve
9090
Ventil
Valve
9292
Ventil
Valve
9494
Ventil
Valve
9696
Ventil
Valve
9898
Ventil
Valve
100100
Ventil
Valve
102102
Ventil
Valve
104104
Ventil
Valve
106106
Ventil
Valve
108108
Ventil
Valve
110110
Ventil
Valve
112112
Ventil
Valve
120120
Ventil
Valve
122122
Ventil
Valve
124124
Ventil
Valve
126126
Ventil
Valve
128128
Ventil
Valve
130130
Wärmetauscher
Heat exchanger
132132
Wärmetauscher
Heat exchanger
134134
Turbine
turbine
136136
Öffnung
opening
138138
Öffnung
opening
140140
Ventil
Valve
142142
Verdichter
compressor
144144
Wärmetauscher
Heat exchanger
146146
Abgas
Exhaust gas
148148
Motor
engine
150150
Abgaswärmetauscher
Exhaust gas heat exchanger
152152
Innenrohr
Inner tube
154154
Anläge
P1 Zustandspunkt
P2 Zustandspunkt
P3 Zustandspunkt
P4 Zustandspunkt
P5 Zustandspunkt
P6 Zustandspunkt
P7 Zustandspunkt
P8 Zustandspunkt
P9 Zustandspunkt
P10 Zustandspunkt
P11 Zustandspunkt
P12 Zustandspunkt
P12a Zustandspunkt
P13 Zustandspunkt
p Druck
h Enthalpie
Investments
P1 state point
P2 state point
P3 state point
P4 state point
P5 state point
P6 state point
P7 state point
P8 state point
P9 state point
P10 state point
P11 state point
P12 state point
P12a state point
P13 state point
p pressure
h enthalpy
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